1、機械控制工程基礎課程教學大綱課程代碼： 010131023 課程英文名稱：Fundamentals of Mechanical Control Engineering課程總學時：40 講課：36 實驗：4 上機：0適用專業：機械設計制造及自動化 機械電子工程大綱編寫（修訂）時間：2010.7一、大綱使用說明（一）課程的地位及教學目標機械控制工程基礎（A）是一門技術基礎課，是跨“控制理論”和“機械工程”技術間的交叉學科，課程以控制論為理論基礎，研究機械工程領域內廣義系統動力學問題，是適應機電一體化的技術需要，針對機械對象的控制，重點結合經典控制理論形成的一門課程。本課程涉及經典控制理論的主要內容

2、及應用，更加突出機電控制的特點，內容密切結合工程實際。 通過課程的學習，學生應掌握經典控制理論的基本原理及觀點，并能運用所學知識以動力學觀點去研究和解決機電控制系統的分析與設計問題。同時該課程也是測試技術、機電傳動、現代控制理論等課程的先修課程。（二）知識、能力及技能方面的基本要求1.掌握經典控制理論的基本概念：系統、反饋、開環控制、閉環控制等，了解反饋控制系統的基本組成及基本要求。2.掌握傳遞函數的定義及特點，能熟練地運用所學的知識（理論力學、電工學、機械原理等）建立機電系統的數學模型，能熟練運用已學過的數學知識（如復變函數等）完成數學模型（包括微分方程、傳遞函數、方框圖等）之間的轉換。3.

3、熟練掌握控制系統的時域分析方法，包括典型輸入信號作用下的系統瞬態響應特點以及時域性能指標；熟練掌握系統響應的誤差、穩態誤差的概念，并能對系統的誤差進行分析與計算。4.熟練掌握控制系統的頻域分析方法，包括幅頻特性、相頻特性等基本概念，掌握乃氏圖和伯德圖的畫法，了解閉環頻率特性的概念。5.深刻理解線性系統穩定的概念及條件，掌握好Routh判據及Nyquist判據（包括對數判據）的內容，并能熟練利用上述判據判定線性系統的穩定性。深刻理解系統相對穩定性的含義及相對穩定性指標的表示及計算。6.了解機電控制系統常用的組成，了解系統校正的概念以及控制器設計的基本方法。（三）實施說明教法方法建議采用傳統板書與

4、多媒體教學相結合的方式。根據具體情況可以增加大作業，大作業的成績按比例計入總分。緒論部分為非重點內容，主要介紹機械工程控制論研究的對象及任務，系統的分析、組成及對系統基本要求。結合實例講解控制理論中基本概念：系統、反饋及反饋控制。控制系統的動態數學模型部分是課程的基礎。重點講解傳遞函數的概念及特點、典型環節傳遞函數的形式及各參數的物理含義；系統開環、閉環傳遞函數和干擾作用下傳遞函數的求法；方塊圖的概念及運用方塊圖簡化運算法則對系統方塊圖進行簡化運算求系統傳遞函數的方法。對信號流圖的繪制，利用梅遜公式求取系統傳遞函數的方法，物理系統函數方塊圖的繪制等做一般性介紹。系統時間響應分析部分是重點內容，

5、結合一、二階系統在典型輸入信號作用下的響應函數及響應曲線，重點講解瞬態特性、瞬態響應指標的概念、計算公式、瞬態響應指標與系統結構參數的關系。簡單介紹高階系統時間響應的求法。系統的頻率特性也是重點內容，在講清頻率特性的概念、求法及與傳遞函數關系的基礎上，著重講解典型環節Nyquist圖和Bode圖的形狀及特點，系統開環頻率特性Nyquist圖及Bode圖的繪制方法，最小相位系統的概念及如何利用Bode圖估算最小相位系統傳遞函數。對閉環頻率特性的概念、求法做一般性講解。系統穩定性的內容十分重要，在講清穩定性的概念和穩定條件的基礎上，重點講解Routh判據、Nyquist判據和對數判據的內容及如何運

6、用判據判定線性系統的穩定性；系統的相對穩定性及其描述相對穩定性的兩個指標：相位裕度、幅值裕度的概念及計算。對上述內容，應通過實例進行講清、講明，以使同學們很好掌握。系統響應的誤差和穩態誤差反映了系統的穩態性能，該部分重點講解誤差與穩態誤差的概念，穩態誤差的計算方法及如何對系統的誤差進行分析。系統的性能分析與校正部分屬于系統設計的內容，主要介紹時域性能指標與頻域性能指標的關系，校正的概念及校正的方式。重點講解串聯校正環節傳遞函數的形式及特性，并結合實例詳細討論利用Bode圖進行串聯校正的步驟及特點。對反饋校正做一般性介紹。（四）對先修課的要求高等數學、積分變換、理論力學、機械原理、電工電子學等。

7、（五）對習題課、實踐環節的要求1每部分內容均安排習題及思考題。通過作業使學生能夠對學習的內容真正做到消化理解，以提高學生分析和解決問題的能力。2. 由于學時有限，建議習題課安排在課外進行。3. 開設實驗課，通過實驗使學生深入理解控制系統性能測試的基本方法，控制系統的基本組成，實際物理系統中控制算法的應用與實現。實驗課作為一種輔助教學手段可以增加學生的感性認識，提高教學效果。4. 實驗總學時為4學時，實驗內容分別為二階系統的模擬及階躍響應分析、液壓伺服系統的壓力和位置閉環控制。（六）課程考核方式 1.考核方式：考試，采用閉卷或半閉卷考試的形式。 2.考核目標：重點考核學生對基本概念、基本方法的理

8、解與應用能力， 3.成績構成：本課程的總成績主要由三部分組成：平時成績（包括作業情況、出勤情況等），實驗成績，期末考試成績。各部分成績按照一定權重計入總評成績。總評成績滿分為100分。 平時成績由任課教師視具體情況按百分制給出；實驗成績由實驗老師參照相關規定按百分制給出，實驗無成績或實驗不及格，取消期末考試資格，總成績直接以不及格計。 實驗和平時成績按一定比例計入總評成績。（七）參考書目控制工程基礎（第二版），董景新等編著，清華大學出版社，2003機械控制工程基礎(第五版), 楊樹子等編著，華中理工大學出版社, 2005現代控制工程（第三版），盧伯英等譯，電子工業出版社，2000二、中文摘要

9、本課程是一門技術基礎課。重點涉及經典控制理論的主要內容及應用，更加突出機電控制的特點，內容密切結合工程實際。 通過課程的學習，學生應掌握經典控制理論的基本原理及觀點，并能運用所學知識以動力學觀點去研究和解決機電控制系統的分析與設計問題。同時該課程也是測試技術、機電傳動、現代控制理論等課程的先修課程。三、課程學時分配表序號教學內容學時講課實驗上機1 緒論222控制系統的動態數學模型882.1系統數學模型的建立42.2傳遞函數43系統的時間響應分析8623.1一階、二階系統的時間響應43.2二階系統性能指標計算2一、二階系統的時間響應24控制系統的頻率特性10104.1極坐標圖44.2對數坐標圖4

10、4.3由頻率特性曲線求系統的傳遞函數25控制系統的穩定性665.1代數穩定性判據25.2乃奎斯特穩定性判據25.3伯德穩定性判據26控制系統的誤差分析和計算227控制系統的性能分析與校正4227.1控制系統的性能分析與校正2液壓閉環控制系統2合計40364四、教學內容及基本要求第1部分 緒論總學時(單位：學時):2 講課:2 實驗:0 上機:0具體內容:1） 控制理論在機械制造領域中的應用；2） 自動控制系統的基本概念；3） 系統的分類及組成；4） 本課程的特點及學習方法。重 點: 控制系統的基本概念、系統的組成及對系統的基本要求。第2部分 控制系統的動態數學模型總學時(單位：學時):8 講課

11、8 實驗:0 上機:0第2.1部分 系統數學模型的建立（講課4學時）具體內容:1） 系統數學模型的建立方法；2） （復習）拉氏變換與拉氏反變換；3） 控制系統微分方程的列寫及線性化；4） 線性系統的性質。重 點:線性系統微分方程的列寫。難 點: 系統微分方程的列寫。第2.2部分 傳遞函數（講課4學時）具體內容：1） 傳遞函數的定義與性質；2） 典型環節的傳遞函數；3） 系統的開環與閉環傳遞函數；4） 系統函數方塊圖及其簡化；5） 系統信號流圖及梅遜公式；6） 物理系統函數方塊圖的繪制。重 點:典型環節的傳遞函數，系統函數方塊圖的簡化及傳遞函數的求取，物理系統函數方塊圖的繪制。難 點:系統函數方

12、塊圖的簡化、物理系統函數方塊圖的繪制。習 題:列寫機械系統、電網絡微分方程并求傳遞函數，系統方塊圖簡化運算及求傳遞函數。第3部分 系統的時間響應分析總學時(單位：學時):8 講課:6 實驗:2 上機:0第3.1部分 一階、二階系統的時間響應（講課4學時）具體內容:1）時間響應及典型輸入信號；2）一、二階系統典型輸入信號下的響應。重 點：一、二階系統的時間響應（函數及曲線）。第3.2部分 二階系統性能指標（講課2學時）1）二階系統瞬態響應的指標；2）二階系統計算舉例。重 點: 二階系統瞬態響應指標。難 點: 二階系統的瞬態響應指標與系統參數的關系。習 題: 典型輸入信號下一階、二階系統時間響應的

13、求取及其瞬態性能指標的計算。實 驗: 一、二階系統時間響應分析（2學時）。第4部分 控制系統的頻率特性 總學時(單位：學時):10 講課:10 實驗:0 上機:0第4.1部分 極坐標圖（講課4學時）具體內容:1） 控制系統頻率特性的基本概念及求法；2） 典型環節頻率特性的極坐標圖(Nyquist圖)；3） 系統開環頻率特性的極坐標圖(Nyquist圖)的繪制及特點。重 點:系統頻率特性極坐標圖(Nyquist圖)的繪制和特點。難 點:系統頻率特性極坐標圖(Nyquist圖)的繪制。第4.2部分 對數坐標圖（講課4學時）具體內容:1）對數坐標圖(Bode圖)的形狀及特點；2）對數坐標圖(Bode

14、圖)的繪制和特點；3）最小相位系統的概念。重 點:對數坐標圖(Bode圖)的繪制和特點。難 點:頻率特性Bode圖的繪制。第4.3部分 由頻率特性曲線求系統的傳遞函數（講課2學時）具體內容:1）利用Bode圖估算最小相位系統的傳遞函數；2）控制系統的閉環頻率特性；重 點:利用Bode圖估算最小相位系統的傳遞函數。難 點:利用Bode圖估算最小相位系統的傳遞函數。習 題:系統諧波輸入下穩態輸出的求取，系統Nyquist圖和Bode圖的繪制，根據系統Bode圖求最小相位傳遞函數。第5部分 控制系統的穩定性總學時(單位：學時):6 講課:6 實驗:0 上機:0第5.1部分 代數穩定性判據（講課2學時

15、）具體內容:1） 系統穩定性的概念及穩定的條件；2） 勞斯穩定判據。重 點: 勞斯穩定性判據。第5.2部分 乃奎斯特穩定性判據（講課2學時）具體內容：1） 映射定理（或幅角原理）；2） 乃奎斯特穩定性判據的內容與應用。重 點: 乃奎斯特穩定判據的內容及應用。難 點: 乃奎斯特穩定判據判定線性系統的穩定性。第5.3部分 對數判據（講課2學時）具體內容：1) 對數判據的內容及應用；2) 系統的相對穩定性概念；3) 幅值裕度和相位裕度的計算。重 點:對數判據的內容及應用，幅值裕度和相位裕度的計算。難 點:對數判據判定線性系統的穩定性，幅值裕度和相位裕度的計算。習 題:利用Routh判據、乃奎斯特判據和伯德判據判定線性系統的穩定性，計算相對穩定性指標，相位裕度和幅值裕度。第6部分 控制系統的誤差分析和計算 總學時(單位：學時):2 講課:2 實驗:0 上機:0具體內容:1） 誤差及穩態誤差的概念；2） 靜態誤差系數及穩態誤差的計算。重 點: 誤差的概念及穩